テトラアンミン亜鉛(II)イオンって何ですか?
亜鉛とアンモニアによる錯イオンの一種です。
なぜ四面体構造になるのでしょうか?
亜鉛とアンモニアの電子によって、
sp3混成軌道が形成されるからです。
本記事では、テトラアンミン亜鉛(II)イオンの性質と構造について詳しく解説しています。この記事を読むと、錯イオンの基本に対する理解を深めることができます。そして、なぜテトラアンミン亜鉛(II)イオンが四面体構造を形成するのかを理解できるようになります。
ジアンミン銀(I)イオン[Ag(NH3)2]+やテトラアンミン銅(II)イオン[Cu(NH3)4]2+の電子配置と構造については、以下の記事の一部で詳しく解説しています。興味のある方はそちらも参照してみてください。
テトラアンミン亜鉛(II)イオンとは
化学式
テトラアンミン亜鉛(II)イオンとは、[Zn(NH3)4]2+で表される錯イオンです。錯イオンとは、中心金属とそれに結合する配位子からなるイオンのことです。Zn(II)は酸化数が+2の亜鉛、NH3はアンモニアを表しています。テトラとは4つという意味の接頭辞です。例えば、消波ブロックのことを「テトラポッド」といいますが、4本脚であることが由来です。また、アンミンとはNH3が配位子として働くときの名称です。つまり、4つのNH3がZn(II)に結合したイオンであることを表しています。
ちなみに、Znの酸化数は+2、NH3の酸化数は全体で0(Nの酸化数: -3、Hの酸化数: +1)ですので、 [Zn(NH3)4]2+全体では、(+2)+0×4 = +2ということになります。
製法
[Zn(NH3)4]2+は以下のように、Zn2+を含む溶液にNH3水を過剰に加えることで生成することができます。
①Zn2+ + OH– → Zn(OH)2
②Zn(OH)2 + 4NH3 → [Zn(NH3)4]2+ + 2OH–
①は、Zn2+にNH3水を加えると、水酸化亜鉛Zn(OH)2の白色沈殿が生成することを表しています。NH3水はアルカリ性なので、水溶液中に水酸化物イオンOH–が存在しています。
②は、①の溶液にさらにアンモニア水を加えると、[Zn(NH3)4]2+が生成することを表しています。このとき、Zn(OH)2の沈殿は再溶解するので、溶液は透明になります。
電子配置と構造
[Zn(NH3)4]2+はZnを中心とした四面体構造をしています(図1)。このような立体構造を形成する理由を説明するためには、Zn2+とNH3による電子配置を考える必要があります。ここから先は軌道論の知識が必要となります。
図2に、Zn、Zn2+、[Zn(NH3)4]2+の電子配置を示します。Zn(原子番号30)は電子を30個持っているので、電子配置は[Ar]3d104s2となります。Zn2+はそこから2つの電子が抜けた状態なので、[Ar]3d10となります。4s軌道と3d軌道では、3d軌道の方がエネルギー的に高い準位にありますが、4s軌道から電子が2つ抜けることで、3d軌道の閉殻構造を維持しています。
NH3はN原子上に1組の非共有電子対があるので、これを使って特定の金属と配位結合を形成することができます。 [Zn(NH3)4]2+では、Zn2+の上位の空の軌道にNH3の非共有電子対が入ることになります。具体的には、図2のように、4s軌道に1組、4p軌道に3組、計4組の電子対が入り、sp3混成軌道を形成します。そのため、Zn2+を中心とした四面体構造を形成します(※1)。
※1: 錯イオンの周囲に対アニオンが存在しており、その静電相互作用の影響などもあるので、正四面体構造にはならないと考えられます。
【参考文献】
「金属錯体の形と色」
横浜国立大学大学院工学研究院 教授 山口 佳隆 著
化学と教育 65巻 4号 (2017年) p198-201
金属錯体の性質の詳細についてはこちら
まとめ
ここまで、テトラアンミン亜鉛(II)イオン[Zn(NH3)4]2+の性質と構造について詳しく解説してきました。以下、本記事のまとめです。
【テトラアンミン亜鉛(II)イオンはなぜ四面体構造なのか?電子配置、軌道論を使ってわかりやすく解説!】
化学式: [Zn(NH3)4]2+
Znを中心として、4つのNH3が配位結合してできた錯イオン
構造: 四面体型
理由: Znの空の4s軌道、4p軌道にNH3由来の電子が充填され、sp3混成軌道を形成するため
